Тепловое поле 1D, Дирихле

Пример: нестационарная задача Дирихле

Рассмотрим конкретный пример нестационарной задачи Дирихле. Возьмём стержень на отрезке [α,β]=[0,1][\alpha, \beta] = [0, 1] с температуропроводностью a2=0,05a^2 = 0{,}05. Изначально стержень холодный, а температура на концах не задана сразу, а растёт во времени: концы линейно прогреваются от нуля до 2020 и 8080 соответственно за первые 5 секунд, после чего удерживаются. Внутри стержня поместим точечный источник тепла f(x)=Pδ(xx0)f(x) = P \cdot \delta(x - x_0) мощностью P=10P = 10 в точке x0=0,35x_0 = 0{,}35. Постановка задачи

{T(x,t)t=a22T(x,t)x2+Pδ(xx0),T(x,0)=0,T(α,t)=φα(t),T(β,t)=φβ(t),\begin{cases} \frac{\displaystyle \partial T(x, t)}{\displaystyle \partial t} = a^2 \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 T(x, t)}{\displaystyle \partial x^2} + P \cdot \delta(x - x_0),\\ T(x, 0) = 0,\\ T(\alpha, t) = \varphi_\alpha(t),\\ T(\beta, t) = \varphi_\beta(t), \end{cases}
(7.1)

где температуры на концах зависят от времени

φα(t)={4t,0t5,20,t>5,φβ(t)={16t,0t5,80,t>5.\varphi_\alpha(t) = \begin{cases} 4t, & 0 \le t \le 5,\\ 20, & t > 5, \end{cases} \qquad \varphi_\beta(t) = \begin{cases} 16t, & 0 \le t \le 5,\\ 80, & t > 5. \end{cases}
Рис. 7.1. Нестационарная задача Дирихле: прогрев стержня во времени. Синяя кривая — профиль температуры T(x,t)T(x, t), оранжевая отметка — точечный источник.